我國礦井通風(fēng)技術(shù)現(xiàn)狀及智能化發(fā)展展望

＊任振興

（晉能控股煤業(yè)集團通風(fēng)部 山西 037003）

礦井“血液循環(huán)系統(tǒng)”是通風(fēng)系統(tǒng)的別稱，這一系統(tǒng)在礦井安全生產(chǎn)中有著重要作用。如果通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，往往伴隨著風(fēng)流紊亂、風(fēng)量不足等問題，并為后續(xù)生產(chǎn)埋下安全隱患。通風(fēng)問題所導(dǎo)致的煤塵爆炸、瓦斯爆炸等事故給相關(guān)企業(yè)造成了不可逆轉(zhuǎn)的損失，采礦工人的人身安全也受到威脅。因此，對礦井通風(fēng)技術(shù)進行升級改造，并實現(xiàn)智能化發(fā)展，是提升礦井生產(chǎn)能力，保障生產(chǎn)安全的重要手段。并且，我國很多礦井已經(jīng)廣泛應(yīng)用智能化開采工作面，因此智能化是礦井健康發(fā)展的必然趨勢。通過對近幾年國內(nèi)外礦井通風(fēng)裝備技術(shù)進行研究可發(fā)現(xiàn)，在未來，智能通風(fēng)技術(shù)仍然有諸多難題需要破解，這也直接影響了未來通風(fēng)智能化的重點研發(fā)方向。

1.礦井通風(fēng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

(1)通風(fēng)參數(shù)測定與監(jiān)測

在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中，測定與監(jiān)測巷道風(fēng)量是了解通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)最為簡單直接的方式。在這個過程中，我們需要先對巷道斷面積、巷道平均風(fēng)速進行計算。機械式風(fēng)表是近幾年廣泛應(yīng)用的測量儀表，另外也有應(yīng)用超聲波渦街式或壓差式井下風(fēng)速監(jiān)測傳感器的情況，這些儀表都能準(zhǔn)確測定出巷道風(fēng)速，并為巷道風(fēng)量的精確監(jiān)測提供技術(shù)指導(dǎo)。在測量巷道斷面方面，一般使用卷尺、激光測距儀等對斷面進行計算，明確巷道斷面積。

在排查構(gòu)筑物狀態(tài)異常、風(fēng)流短路等情況下，往往采用測定風(fēng)流壓力的方式，同時也能掌握巷道通風(fēng)阻力。目前，礦井通風(fēng)參數(shù)檢測儀能夠準(zhǔn)確檢測出巷道風(fēng)流壓力，其中部分礦用精密數(shù)字氣壓計的測量誤差控制能力較強，完全能夠達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。如果使用氣壓計基點法進行通風(fēng)阻力測定工作，數(shù)據(jù)會由于儀器本身誤差出現(xiàn)頻繁的波動，因此測量結(jié)果會受到嚴(yán)重影響，進而影響整體測量結(jié)果的可靠性；相對來說，壓差計法的應(yīng)用能夠有效控制測量誤差，但是需要在鋪管測量過程中投入大量人力，也很難保證壓力傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。風(fēng)流壓力傳感器等是常用的壓差傳感器，這種測量方法的誤差能夠控制在1%F.S左右，因此在很多通風(fēng)設(shè)施壓差監(jiān)測過程中，都得到了廣泛的應(yīng)用。

(2)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析與決策

掌握通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算技術(shù)，對風(fēng)流進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，準(zhǔn)確完成通風(fēng)故障診斷，提升通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，是提升通風(fēng)系統(tǒng)能力的主要方向。因此，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析與決策過程中，也需要從這幾個方面入手展開創(chuàng)新。

對于通風(fēng)系統(tǒng)來說，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是基礎(chǔ)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)學(xué)模式自Scott－Honsley法提出并應(yīng)用后，也趨向于成熟。近幾年，國內(nèi)外專家學(xué)者也提出了多種有效的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件，這些軟件能夠?qū)︼L(fēng)流進行模擬，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)在線監(jiān)測及分析預(yù)警。其中，具有代表性的包括日本九州大學(xué)工學(xué)研究院開發(fā)的“風(fēng)丸”、中國礦業(yè)大學(xué)的MFire可視化災(zāi)變風(fēng)流模擬軟件系統(tǒng)以及波蘭科學(xué)院的WENTGRAF。

近幾年，將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和監(jiān)測監(jiān)控兩種技術(shù)融合，是主要的研發(fā)方向。在這一研究課題中，通過實時監(jiān)測解算礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)了解通風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)運行狀況的主要方法，這樣能夠為決策提供參考數(shù)據(jù)。與此同時，如何反應(yīng)系統(tǒng)真實的通風(fēng)系統(tǒng)運行情況，這是技術(shù)難點。掌握通風(fēng)系統(tǒng)圖及相關(guān)要素屬性數(shù)據(jù)是開展網(wǎng)絡(luò)解算工作的前提。首先，如果仍然應(yīng)用傳統(tǒng)方式完成通風(fēng)系統(tǒng)圖形建模工作，那么制作拓?fù)溥B接關(guān)系的通風(fēng)系統(tǒng)圖的速度難以提升，如果技術(shù)人員能夠充分運用CAD等技術(shù)，對相關(guān)圖件進行規(guī)范化處理，并將圖像導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)解算軟件中，那么能夠生成更為準(zhǔn)確的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖形，在減少工作量的同時提升繪圖精度；其次，在獲取相關(guān)屬性數(shù)據(jù)的過程中，想要真正掌握礦井全部井巷的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其工作量相對較大，并且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也很難得到有效保證，在這種情況下，有學(xué)者提出采用Tikhonov正則化方法，實現(xiàn)模型的修正，這種方法在應(yīng)對復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，能夠體現(xiàn)出突出的作用。

(3)通風(fēng)調(diào)控技術(shù)與裝備

礦井主要通風(fēng)動力裝置和通風(fēng)設(shè)施是實現(xiàn)通風(fēng)調(diào)控的主要手段，礦井可以通過調(diào)控主要風(fēng)機運轉(zhuǎn)數(shù)量的方式來對總風(fēng)量和風(fēng)量富余系數(shù)進行調(diào)整，必要的情況下需要對主要通風(fēng)機進行更換。在礦井內(nèi)發(fā)生災(zāi)變時，我們可以通過對主要通風(fēng)機進行調(diào)控，避免災(zāi)害范圍的進一步擴大，讓經(jīng)濟損失和人員傷害控制在最小范圍內(nèi)。

目前來說我國煤礦通風(fēng)機制造水平雖然得到了長足的進步，但是各個種類的設(shè)備性能參差不齊。例如，目前廣泛應(yīng)用的FBCDZ系列通風(fēng)機，以軸流式風(fēng)機為主，其最高效率能夠達(dá)到86%。這種通風(fēng)機采用兩機葉輪反向旋轉(zhuǎn)，雙極雙電動機驅(qū)動，這也決定這種風(fēng)機本身具有較好的密封性，但是在實際運行中，這類風(fēng)機的效率僅僅能夠達(dá)到60%，因此本身的能耗損失相對較大。

2.礦井智能通風(fēng)技術(shù)發(fā)展展望

(1)智能感知

首選，需要對井下巷道通風(fēng)參數(shù)的智能感知進行研究，需要重點提升井下巷道全斷面風(fēng)速超聲波監(jiān)測裝備穩(wěn)定性的提升，另外也可以對多普勒激光雷達(dá)監(jiān)測裝備進行研究，全面提升監(jiān)測精度。另外，需要掌握確定風(fēng)速傳感器安裝位置的方式，并能夠結(jié)合風(fēng)流脈動特征實現(xiàn)風(fēng)速的高精度單點監(jiān)測，從而讓巷道實際風(fēng)速能夠通過傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出來。另外，對于全網(wǎng)絡(luò)風(fēng)阻的精確反演，很多專家學(xué)者也展開了各類研究，旨在為明確礦井絕對壓力、相對壓力提供參考。激光雷達(dá)掃描技術(shù)的應(yīng)用，能夠讓我們獲得高精度的巷道全斷面建模，為明確巷道斷面提供參考。

通風(fēng)系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)的智能感知包括運用陀螺實現(xiàn)礦井三維圖的精準(zhǔn)構(gòu)建，此功能還會應(yīng)用慣性導(dǎo)航等技術(shù)，進而實現(xiàn)自動繪制通風(fēng)系統(tǒng)圖的繪制，減少人力資源的投入。另外，結(jié)合災(zāi)害控制需要，運用定位技術(shù)，明確機電設(shè)備以及風(fēng)流障礙物的位置，為后續(xù)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)提供參考。

這些技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為后續(xù)實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)智能建模提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，另外也為智能決策及風(fēng)險智能感知提供詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)智能決策

技術(shù)人員需要掌握礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的快速構(gòu)建技術(shù)，該技術(shù)主要以數(shù)據(jù)進行驅(qū)動。因此，需要對傳感器布置數(shù)量和布置位置進行優(yōu)化，優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，避免盲區(qū)的存在。為了能夠?qū)崿F(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可視化管理，需要融合監(jiān)測技術(shù)以及系統(tǒng)動態(tài)圖形繪制技術(shù)，讓圖形、數(shù)據(jù)之間有機融合起來，并形成聯(lián)動分析，在系統(tǒng)中對融合成果進行共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化管理。在管理過程中，數(shù)據(jù)本身會存在一定的誤差，因此如果能夠結(jié)合多元數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)模型，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行修正，能夠更為有效地保證模型的準(zhǔn)確性，同時能夠?qū)?shù)據(jù)進行有效的篩選。

對通風(fēng)調(diào)控進行聯(lián)動分析以及智能決策。首先，各個通風(fēng)設(shè)備本身應(yīng)該能與中控網(wǎng)絡(luò)相連，并將數(shù)據(jù)實時傳輸至中控系統(tǒng)中，從而為遠(yuǎn)程智能調(diào)控創(chuàng)造條件。另外，需要深入優(yōu)化智能控制邏輯，明確核心監(jiān)控參數(shù)及參數(shù)范圍，掌握不同參數(shù)調(diào)控過程中相關(guān)參數(shù)發(fā)生的變化。結(jié)合監(jiān)測分析結(jié)果以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)中存在的隱患、問題進行識別判斷。尤其需要對有毒有害氣體進行分析，并生成云圖及分級評價結(jié)果，實現(xiàn)空間面域有毒有害氣體的分析評價。

(3)應(yīng)急調(diào)控

系統(tǒng)需要能夠?qū)?zāi)害發(fā)生時的狀態(tài)進行準(zhǔn)確辨識，并實現(xiàn)智能輔助決策。首先，系統(tǒng)需要根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對火災(zāi)、爆炸以及瓦斯突出等災(zāi)害進行識別，明確災(zāi)害的發(fā)生時間與地點。另外，還需要融入災(zāi)害范圍的預(yù)測技術(shù)，對下一步可能影響的范圍進行預(yù)警，為開展人員疏導(dǎo)、機電設(shè)備斷電控制創(chuàng)造條件。在系統(tǒng)中，需要適當(dāng)增加自動復(fù)位防爆門等附屬裝置，為人員逃生、緊急避難提供條件。

3.總結(jié)

綜上所述，智能感知、智能決策以及應(yīng)急調(diào)控是我國礦井通風(fēng)技術(shù)現(xiàn)狀及智能化主要發(fā)展方向。與此同時，在開展智能技術(shù)研究過程中，還需要對信息技術(shù)、PLC技術(shù)、人工AI技術(shù)進行深入研究，這些技術(shù)都是推動煤礦通風(fēng)智能化控制技術(shù)發(fā)展的核心所在。